Nouveaux travaux réalisés par des chercheurs du Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs (TMOS) et de la City University of New York (CUNY) publié le 27 mai à Communications naturelles réalise un nouveau filtre de détection de contour réglable pour les systèmes d’imagerie à optique plate, capable de basculer entre une image du contour d’un objet et une image infrarouge détaillée.
Le développement de processeurs d’images compacts et légers à détection de contours analogiques présente un intérêt particulier pour les applications de télédétection telles que la surveillance et la surveillance de l’environnement, en raison de leur potentiel à minimiser la taille des drones, à prolonger les temps de déploiement et à réduire les coûts d’exploitation. Cette nouvelle recherche constitue un grand pas vers la réalisation de cet appareil, doté des fonctionnalités supplémentaires de l’imagerie infrarouge standard.
Cela pourrait se traduire par des produits d’épicerie moins chers, car les agriculteurs sont mieux à même d’identifier avec précision quelles cultures nécessitent une irrigation, une fertilisation et une lutte antiparasitaire au lieu d’adopter une approche globale de la gestion des cultures.
Cela pourrait également contribuer aux efforts visant à protéger les espèces menacées, car les systèmes de détection des lisières peuvent fournir des données précieuses sur les types d’habitats et les limites des écosystèmes. Ces données sont utilisées pour la restauration et la protection de l’habitat, mais leur collecte est actuellement coûteuse.
La détection des contours est un outil de traitement d’image qui extrait le contour d’un objet, aidant ainsi à distinguer les objets de leur arrière-plan. Actuellement, il s’agit d’un processus numérique qui se produit après la capture d’une image et qui nécessite des processeurs volumineux et des systèmes d’imagerie traditionnels. Cette forme de détection numérique des contours crée de nombreuses données qui doivent être traitées, stockées et transmises.
Le filtre d’image analogique développé par les chercheurs de TMOS et leurs partenaires réduit le sujet à ses contours avant de capturer l’image, réduisant ainsi considérablement la quantité de données produites. Il peut également passer à une image infrarouge détaillée et non filtrée lorsque cela est nécessaire, ce qui constitue un développement nouveau et pourrait permettre aux agriculteurs de collecter davantage d’informations lorsque le capteur à distance identifie des zones d’infestation potentielle de ravageurs.
Le filtre n’a que quelques nanomètres d’épaisseur, avec une fine couche de dioxyde de vanadium (VO2), un matériau à changement de phase, incorporée dans une métasurface de silicium plus épaisse. Lorsque la température du filtre change, le VO2 passe d’un état isolant à un état métallique et l’image traitée passe d’un contour filtré à une image infrarouge non filtrée.
La méta-optique (également connue sous le nom d’optique plate et de nanophotonique) est un nouveau domaine qui miniaturise la technologie optique en remplaçant les lentilles traditionnelles par des métasurfaces. Le filtre peut être combiné avec un métal pour réduire considérablement la taille des systèmes d’imagerie, ce qui le rend idéal pour une utilisation sur les drones, les satellites et d’autres applications nécessitant une faible taille, un faible poids et une faible consommation d’énergie.
L’auteur principal Michele Cotrufo déclare : « Bien que quelques démonstrations récentes aient permis une détection analogique des contours à l’aide de métasurfaces, la plupart des dispositifs présentés jusqu’à présent sont statiques. Leur fonctionnalité est fixe dans le temps et ne peut pas être modifiée ou contrôlée de manière dynamique.
« Pourtant, la capacité de reconfigurer dynamiquement les opérations de traitement est essentielle pour que les métasurfaces puissent rivaliser avec les systèmes de traitement d’images numériques. C’est ce que nous avons développé. »
Il est important de noter que tout en offrant une reconfigurabilité très recherchée, la métasurface correspondait aux performances de ses homologues statiques en termes d’ouverture numérique, d’efficacité, d’isotropie et d’indépendance de polarisation.
Andrea Alu, chercheur partenaire de TMOS, déclare : « Nous avons utilisé une couche de VO2 et un élément chauffant local comme preuve de concept. Il est désormais possible d’étendre la recherche pour inclure des matériaux à changement de phase non volatils, qui ne nécessitent pas de chauffage, ou pour intégrez-le à un laser à pompe externe pour le chauffage induit optiquement. Ce dernier scénario peut ouvrir des voies intéressantes pour le calcul analogique non linéaire entièrement reconfigurable.
Le prototype a été fabriqué par Madhu Bhaskaran, enquêteur en chef du TMOS, et son équipe de l’Université RMIT. Bhaskaran déclare : « Les matériaux à changement de phase tels que le dioxyde de vanadium ajoutent une fantastique capacité de réglage pour rendre les appareils « intelligents ». Comme nous l’avons démontré, ces matériaux contribuent grandement à la création de dispositifs futuristes à optique plate. »
Le co-auteur Shaban Sulejman de l’Université de Melbourne déclare : « Ce qui est passionnant à propos de ce filtre, c’est que la conception et les matériaux utilisés le rendent apte à la fabrication en série. Il fonctionne également à des températures compatibles avec les techniques de fabrication standard, ce qui le rend bien placé pour s’intégrer aux systèmes disponibles dans le commerce et donc passer si rapidement de la recherche à l’utilisation dans le monde réel.
Ann Roberts, chercheuse en chef du TMOS, également de l’Université de Melbourne, déclare : « La méta-optique a le potentiel de transformer d’innombrables industries, et elle le fait rapidement. Les éléments optiques traditionnels ont longtemps été le goulot d’étranglement empêchant la miniaturisation accrue des appareils. Remplacer ou compléter les éléments optiques traditionnels par des optiques à couches minces permet de surmonter ce goulot d’étranglement.
« Pour des secteurs tels que l’agriculture, cela pourrait signifier une surveillance en temps réel des conditions environnementales, des images améliorées provenant de plates-formes de télédétection telles que des drones ou des satellites, et une collecte de données plus étendue sans les défis logistiques correspondants qui l’accompagnent habituellement. »
Plus d’information:
Michele Cotrufo et al, Métasurfaces de traitement d’image reconfigurables avec des matériaux à changement de phase, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-48783-3
Fourni par le Centre d’excellence ARC pour les systèmes méta-optiques transformateurs (TMOS)